虚拟仪器论文

绪论

由于传统的测控仪器是以硬件为主的，价格比较贵、功能不易扩展、技术更新慢、开发和维护的费用高，于是就产生了以硬件为主的虚拟仪器，它就是在硬件和软件的组合下，利用计算机实现的一种仪器系统。它的实质就是利用计算机显示器的功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用硬件完成信号的采集、测量和调理，然后用专用的虚拟仪器分析、设计软件对所采集的各种信号数据进行运算、分析和处理；从而完成各种测试功能的一种计算机系统，利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同一台专用测量仪器一样。也就是说，虚拟仪器的出现，将测量仪器与计算机连为一体。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有较高的性价比，利用虚拟仪器技术构建的虚拟仪器可复用，更新快；突出了“软件就是仪器”的概念；特别是虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络以及其他周边设备相连，因此，网络化是虚拟测控技术的发展趋势，可以减少设备的投资，实现资源的共享。

虚拟仪器是由软件和硬件两大部分组成的。硬件部分包括通用计算机和外围硬件设备。通用计算机可以是台式电脑、笔记本或工作站，外围设备可以是GPIB系统、VXI系统、PXI系统或各种数据采集卡；软件部分包括实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。

虚拟仪器的开发平台LabVIEW是图形化编程语言，技术人员不用掌握太多的计算机编程知识，只需要通过定义和连接代表各种功能模块的图标，就能快速地建立起通常只有编程技巧高超的程序员才能编制出的高水平应用程序。

虚拟仪器技术的飞速发展促使它广泛地应用于各种方面。虚拟仪器用于电力系统主要是在测量领域中，对于电压、电流和功率等传统物理量的测量，虚拟仪器可以完全代替原来的各种仪表，并且可以对各种测量数据进行分析。特别是在电力系统谐波测试中，通过软件程序来实现测试功能，对采集来的信号进行频谱分析，得出各次谐波的幅值、频率和总谐波畸变率，并分析测试结果。另外，虚拟仪器在设备校验、在线监测等方面都有重要的作用。

1. 虚拟仪器的发展概述

1．1仪器与自动测试技术的发展概况

1．1．1仪器技术的发展概况

测量仪器发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、智能仪器、个人仪器、虚拟仪器等发展阶段。

20世纪70年代以来，随着微处理器和计算机技术的发展，微处理器或微机被越来越多的嵌入到测量仪器中，构成了智能仪器。智能仪器使用键盘代替传统仪器面板上的旋钮或开关，对仪器实施操纵；它一般带有GPIB或RS—232接口，具备可程控功能，可以很方便地与其他仪器实现共连，组成复杂的自动测试系统。

随着智能仪器和个人计算机的大量应用，在工程技术人员的工作台上常会出现多台带有微机的仪器和PC机同时使用。一个系统中有多台微机、多套存储器、显示器和键盘，但又不能相互取代或替代，造成资源的很大浪费。1982年，美国推出了第一台个人仪器，在个人仪器中，通用的个人计算机代替了各台智能仪器中的微机及其按键、显示器等人机接口，由置于个人计算机扩展槽或专门的仪器扩展箱中插卡或模块来实现仪器功能，这些仪器插卡或模块通过PC总线直接和计算机相连。个人仪器充分利用了PC机的软件和硬件资源，相对于传统仪器，大幅度降低了系统成本、缩短了研制周期。

个人仪器最简单的构成形式是将仪器卡直接插入PC机的总线扩展槽内。这种构成方式结构简单、成本很低，但缺点是PC机扩展槽数目有限，机内干扰比较严重，另外，PC 机总线也不是专门为仪器系统设计的，无法实现仪器间的直接通信以及触发、模拟信号传输等仪器专用功能。

个人仪器系统具有突出的优点，但是，由于各个厂家在生产个人仪器时没有采用统一的总线标准，在一定程度上影响了个人仪器的进一步发展。随后就出现了VXI总线技术规范，它是在VME计算机总线的基础上，扩展了适合仪器应用的一些规范而形成的。VXI 总线是一个公开的标准，它的宗旨是为模块化电子仪器提供一个开放的平台，使所有厂商的产品都可以在同一个主机箱内运行。

在个人仪器发展过程中，计算机软件在仪器控制、数据分析和处理、结果显示等方面所起到的重要作用也越来越深刻地被人们所认识。1986年，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念。在虚拟仪器得到人们认识的同时，虚拟仪器的相关技术规范也在不断地完善。在发展初期，虚拟仪器系统主要采取三种结构形式：基于GPIB总线、PC—DAQ或VXI 总线，但这三种系统都有各自的缺点，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展和延伸，数据传输速度较低；PC—DAQ直接利用了ISA总线或串行总线，没有定义仪器系统所需的总线；VXI系统是将用于工业控制的VME计算机总线而建立的，价格昂贵，适用于大型或复杂的仪器系统。为了适应虚拟仪器用户日益多样化的需求，NI公司又推出了一种全新的开放式、模块化仪器总线规范——PXI，直接将PC机中流行的高速PCI总线、Microsoft Windows操作系统和CompactPCI规范定义的机械标准很好的结合在一起，形成了一种性价比很高的虚拟仪器系统。

从20世纪80年代NI公司提出了虚拟仪器的概念至今只有短短的十几年的时间，但虚拟仪器的发展速度很快，使我们认识到虚拟仪器是21世纪仪器发展的方向，而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器，使传统仪器都融入到计算机体系中]11[。

1．1．2自动测试技术的发展概况

随着现代科学技术和现代工业生产的发展，对电子测量和仪器技术的要求越来越高，测试内容和测试对象日益复杂，测试工作量与日俱增，对测试速度和测试精度的要求不断提高，这使得传统的人工测试已经不适应甚至不满足实际测试的需求，采用自动系统成为必然的选择。

20世纪60年代，电子计算机开始用于测试领域，自动测试技术也得以迅速地发展和普遍地应用，其发展大致可分为三个阶段：

（1）第一代自动测试系统

常见的第一代测试系统主要有数据采集系统、自动分析系统等。系统的控制采用计算机或其他一些简单的逻辑和定时电路。20世纪60年代，由于标准化、通用化的仪器产品还未出现，设计和组建第一代自动测试系统时，设计人员需要自行设计仪器与仪器、仪器与计算机之间的接口电路和相关的控制电路。当测试系统中用到的设备较多时，系统研制的工作量很大、费用高、系统的适应性和可扩展性也较差。

（2）第二代自动测试系统

20世纪70年代，第二代自动测试系统出现了，其中最有代表性的是CAMAC总线系统和GPIB总线系统。两者的共同特点是采用标准的总线接口，系统中所用的计算机、程控仪器、开关等均配有标准化的接口电路。用统一的总线电缆将各器件连接起来。设计人员无需自行设计接口电路，测量内容的更改，增删十分灵活，测试速度和精度也大大提高。在测试系统使用完毕后，可以拆下计算机和其他仪器设备移作它用。

（3）第三代自动测试系统

20世纪80年代中期，随着智能仪器、个人仪器的发展，计算机与测量仪器的结合更加紧密，计算机软件不仅承担系统控制和通信功能，也开始代替传统仪器中某些硬件的功能。在这种条件下，虚拟仪器出现了，作为一种以计算机软件实现为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测量速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性极强等优点。因此，虚拟仪器通常被认为是第三代自动测试系统。

1．2虚拟仪器的概念和应用

1．2．1虚拟仪器的概念

虚拟仪器（Virtual Instrument）就是通过计算机加上特定的硬设备，再加上为实现特定功能而编制的软件而形成的既有普通仪器的功能，又具有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。在虚拟仪器中硬件不再是系统的主体，它只是在其中实现信号的输入输出，而对信号资料的分析、计算和统计等繁杂的工作都交由系统的软件处理。利用计算机处理器高速的运算，可以很快得到结果。

虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一种具体的仪器。换句话说，虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决于实际的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型，但是有一点是相同的，那就是虚拟仪器离不开计算机控制，软件就是虚拟仪器设计中最重要，也是最复杂的部分。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表达。

虚拟仪器一词中“虚拟”有以下两方面的含义：

（1）虚拟仪器面板

在使用传统仪器时，操作人员是通过操纵仪器物理面板上安装的各种开关、按键、旋钮等来实现仪器电源的通断、通道选择、量程、放大倍数等参数的设置，并通过面板上安装的发光二极管、数码管、液晶或CRT等来辨别仪器状态和测量结果。

在虚拟仪器中，计算机显示器是唯一的交互界面，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器等显示器件均与实物外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或键盘操纵界面中这些控件来完成仪器的控制。

（2）由软件编程来实现仪器功能

在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。测量所需的各种激励信号可以由数据采集卡得到，系统硬件模块不能实现的一些数据处理功能，如FFT分析、小波分析、数字滤波、统计分析等，也可以由软件编程来实现，通过不同软件模块的组合，还可以实